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一、雷电概述

众所周知,雷电具有极大的破坏性,其电压高达数百万伏,瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次:①设备损坏,人员伤亡;②设备或元器件寿命降低;③传输或储存的信号、数据(模拟或数字)受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。目前,世界上各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷。用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。但是,随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。每年各种通讯控制系统或网络因雷击而受破坏的事例屡见不鲜,其中安防监控系统因受到雷击引起设备损坏,自动化监控失灵的事件也常有发生。而城乡道路监控子系统中前端摄像机往往设计为室外安装方式,遭受雷击损坏的可能性很大,对于雷雨多发地区必须设计安装防雷电系统。

二、监控系统说明

电视监控系统的防雷保护比较复杂,首先需要明确监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径,尤其是雷击损坏较为严重的室外监控设备,在分析其损坏原因的基础上,以及研究和探讨信号、电源线路的布放、屏蔽及接地方式等,方可以正确选择和使用监控系统设备的防雷保护装置。

2-1、监控系统的组成:

A、视频监控系统防雷本身包括了:

①     电源防雷部分

②     视频防雷部分

③     通信防雷部分(包括网络防雷)

B、视频监控系统设备一般由以下三部分组成:

①     前端部分。主要由黑白(彩色)摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。

②     传输部分。使用同轴电缆、电线、网络双绞线、光纤等,采取架空、地埋或沿墙敷设方式传输视频、音频或控制信号等。

③     终端部分。主要由视频分配器、矩阵、硬盘录像机、视频光端机、网络光端机、网络视频服务器、监视器、控制设备等组成。

C、监控系统的传输方式:

①     同轴电缆。

②     光纤

③     网络线

④     无线网

⑤     双绞线

2-2、雷电对电子设备损害途径:

雷电对电气设备的影响,主要由以下四个方面造成:①直击雷;②传导雷; ③感应雷;④开关过电压。

三、监控系统防雷设计引用规范标准

1、 GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》

2、 GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000)

3、 GB50343《建筑物信息系统防雷技术规范》(2004)

4、 GB50174-93《电子计算机机房设计规范》

5、 GB/T50311-2000《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》

6、 JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》

7、 《计算机信息系统防雷保安器》GA173-1998

8、 IEC 6I312《雷电电磁脉冲的防护》

四、监控系统综合防雷措施:

系统防雷是一项综合性工程,主要包括外部防雷和内部防雷两个方面:

外部防雷包括:避雷针、避雷带、引下线、接地装置等等,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等,泄放入大地。

内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。主要以空间屏蔽、等电位连接、减少接近耦合、安全距离、过电压保护等措施,通过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器即过电压保护,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地。2

雷电的全面防护图见上图所示

1、 外部防雷包括避雷针、引下线、接地极等等,其主要的功能是为了确保摄像机本体免受直击雷的侵袭,将可能击中摄像机的雷电通过避雷针、引下线等,泄放入大地。

2、 内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。通过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地,确保后接设备的安全。
避雷带、引下线和接地等构成的外部防雷系统,主要是为了保护摄像枪本体免受雷击引起的火灾事故及人身安全事故,而内部防雷系统则是防止感应雷和其他形式的过电压侵入设备造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。

雷电对电气设备的影响,主要由以下四个方面造成:①直击雷;②传导雷; ③感应雷;④开关过电压。
直击雷:雷电直接击中建筑物,雷电的不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地,其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流,其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流,其余的雷击能量通建筑物的其他金属管道、缆线分流。这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。直击雷波形为10/350us。
传导雷(雷电波侵入):在更大的范围内(几公里甚至几十公里),雷电击中电力或信息通讯线路,然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷中的一种:雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面,导致地电压升高,并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电延建筑物内部设备形成地电位反击。

感应雷(雷电波感应):在周围1000公尺左右范围内(有资料为 500公尺或 1500公尺,距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化)。发生雷击时,LEMP 在上述有效范围内,在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。
随着现代高科技的发展,精密仪器,通讯设备,数据网络的应用越来越广泛,因而感应雷造成的雷击事故也越来越多,除直接造成了巨大的经济损失外,因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。

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A、前端设备的防雷

前端设备有室外和室内安装两种情况,安装在室内的设备一般不会遭受直接雷击,但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害,比如安装在地下停车场等的摄像机等。而室外的设备则同时需考虑防止直击雷和感应雷。前端设备如摄像头应置于接闪器(避雷针或其它接闪导体)有效保护范围之内。为了施工方便避雷针一般架设在摄像机的支撑杆上,引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ 8的镀锌圆钢或35mm2铜导线,此时应注意依据GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》第2章、第2.5节、供电、接地与安全防护。

为防止电磁感应,沿杆引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。为防止雷电波沿线路侵入前端设备,应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器,如电源线(220V、24V、12V)、视频线、信号线和云台控制线。这样做比较麻烦,问题比较多,且要受安装空间的限制,因此可以选择“三合一”或者“二合一”的监控摄像机多功能电涌保护器。比如:KLY–TV-3/(220、24);KLY-TV-2/(220、24)等。

(1)户外监控摄像枪防直击雷设施:在户外监控摄像枪的杆顶安装一支避雷针。避雷针的引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ 8的镀锌圆钢做引下线,并在杆底座旁与独立防雷接地网相连。避雷针长度一般为0.5~1米,(根据立杆的高度)利用滚球法计算可知摄像枪在避雷针的保护范围内。(参见下图示,摄像枪处于LPZ0B区内。)

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(2)户外摄像枪接地及地网

如果摄像枪附近有地网,则就近引接地线至附近地网接地,如果附近没有地网,则要另外建造独立地网,地网方案如下:
A、在摄像枪立杆周围分别埋设热镀锌角钢接地极(5×50×50×2500mm),间距为5米。
B、角钢接地极用4×40mm扁钢组成网,环网连通。
C、将接地系统和立杆底座连接。

(3)地网施工程序:施工前首先要充分了解施工现场的地形地貌、地质结构,然后根据方案设计和现场情况定出各处接地极的孔位和连接导体沟槽,再进行施工安装。注意避开电缆沟、管道和其它导电装置,施工前要向建设单位提出书面申请,同意动工方可进行。(设计用土壤的电阻率取250Ω·m。)
A、挖沟:合理使用挖掘工具,采取逐层下挖法,沟槽深度至少 0.8米,沟槽宽度以能挖深为宜。
B、打入:采用适当工具打入角钢接地极。角钢接地极埋深0.8米以下,即接地极头部平沟槽底部。
C、连接:把安装好的角钢接地极用40*4扁钢连接起来,形成网状;全部连接均采用焊接。
D、引入:将接地系统接到立杆底座。
E、回填:先填净土,逐层夯实,整理好路面。

地网示意图

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B、传输线路的防雷

CCTV系统主要是传输信号线和电源线。室外摄像机的电源可从终端设备处引入,也可从监视点附近的电源引入。控制信号传输线和报警信号传输线一般选用芯屏蔽软线,架设(或敷设)在前端与终端之间。GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》的规定,传输部分的线路在城市郊区、乡村敷设时,可采用直埋敷设方式,当条件不允许时,可采用通信管道或架空方式。

采用通信管道或架空方式时,应注意传输线缆与其它线路的最小间距和与其它线路共杆架设的最小垂直间距。比如与220V交流配电线的最小间距为0.5米,与通讯电缆的最小间距为0.1米,与1~10KV电力线的最小垂直间距为2.5米,与1KV以下电力线的最小垂直间距为1.5米,与广播线的最小垂直间距为1.0米,与通信线的最小垂直间距为0.6米等等。

直埋敷设方式防雷效果较好,而架空线比较容易感应雷击。为避免首尾端设备损坏,在使用架空线传输时,应在每一支撑杆上做接地处理,架空线缆的吊线和架空线缆线路中的金属管道均应接地。

传输线埋地敷设也并不能完全阻止雷击设备的发生,统计数据显示雷击造成埋地电缆故障大约占总故障的30%左右,即使雷击比较远的地方,也仍然会有部分雷电流流入电缆。所以采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设,保持钢管的电气连通。对防护电磁干扰和电磁感应非常有效,这主要是由于金属管的屏蔽作用和雷电流的集肤效应。如电缆全程穿金属管有困难时,可在电缆进入终端和前端设备前穿金属管埋地引入,但埋地长度不得小于15米,在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置相连。

C、终端设备的防雷

在监控系统中,监控室的防雷最为重要,应从直击雷防护、雷电波侵入、等电位连接和电涌保护多方面进行。监控室所在建筑物应有防直击雷的避雷针、避雷带或避雷网,防直击雷措施应符合GB 5005794《建筑物防雷设计规范》的规定。进入监控室的各种金属管线应接到共用的接地装置上,易采用一点法接地。

按照YD/T 5098-2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》第五部分:SPD 的选择;第5.3条:信号线用SPD;第5.5条:计算机、控制终端、监控系统的网络数据线用SPD的要求规范的要求,通流容量应大于3KA。

考虑到机房设备线路都在同一个机房内,距离不长,与外界有联系的只有光纤和电源线路,因此,本设计方案,只考虑机房的电源防护,信号部分只要求将光缆的加强芯两端接地处理即可,同时,做好机房的接地、均压、等电位连接、线路屏蔽等措施。

五、具体实施方法:

在球型摄像机电源、视频、云台控制线路前安装壹套KLY-TV-3/(220、24)摄像机多功能电涌保护器,用于球型摄像机的防雷保护。

在固定摄像机电源、视频线路前安装壹套KLY-TV-2/(220、24)摄像机多功能电涌保护器,用于固定摄像机的防雷保护。

备注:KLY-TV-3/(220、24)KLY-TV-2/(220、24)分别是三合一和二合一的多功能防雷器,在网络智能球机电源线路前安装壹套KLY-TW2/24电源网络二合一防雷器,用于网络智能球机的电源和网络信号防雷保护。

在网络光端机输入端的信号线上安装壹套KLY-RJ45/8网络信号电涌保护器用于网络光端机的网络信号保护。

在网络光端机输入端的电源线上串联安装壹套KLY-L-6P电源防雷插座用于网络光端机的电源保护。

在视频光端机输入端的电源线上串联安装壹套KLY-L-6P电源防雷插座用于网络光端机的电源保护。

在网络视频服务器输入端的视频信号线上安装壹套KLY-BNC同轴信号电涌保护器用于网络视频服务器同轴信号端口的保护。

在网络视频服务器输入端的控制信号线上安装壹套KLY-RS485控制信号电涌保护器用于网络视频服务器控制信号端口的保护。

在网络视频服务器输出端的网络信号线上安装壹套KLY-RJ45/8网络信号电涌保护器用于网络视频服务器网络信号端口的保护。

在网络视频服务器输入端的电源线上串联安装壹套KLY-L-6P电源防雷插座用于网络视频服务器电源的保护。

另:在机房配电箱电源前端并联安装壹套KLY220-40KA电源防雷箱,用于机房设备的电源保护。

5-1、利用网线传输形式的监控系统防雷解决方案:(网络光端机)

其具体解决方案及配置如下:

配置清单如下:

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5-2、利用网线传输形式的监控系统防雷解决方案:(网络视频服务器)

其具体解决方案及配置如下:

配置清单如下:

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5-3、利用光纤传输形式的监控系统防雷解决方案:(视频光端机)

其具体解决方案及配置如下:

 

 

配置清单如下:

7备注:防雷插座是六孔/个,用多少个酌情使用。

 

5-4、利用同轴线路传输形式的监控系统防雷解决方案:

其具体解决方案及配置如下:

 

 

配置清单:

8备注:防雷插座是六孔/个,用多少个酌情使用。

 

5-6无线微波传输监控系统防雷解决方案:

 

配置清单如下:

9备注:防雷插座是六孔/个,用多少个酌情使用。

5-7、监控系统机房的电源防雷解决方案:

其具体解决方案及配置如下:

 

备注: 如果信号是通过光纤进入到机房而光纤是不导电的,对光纤的防护,只需考虑将光缆的加强芯两端接地处理即可,对光端机、摄像机等前端监控设备,只需做好电源防护,信号部分可以忽略,注意线路敷设方式。但是监控机房后端设备防护应要考虑机房的电源防护,同时,做好机房的接地、均压、等电位连接、线路屏蔽等措施。





  
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